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Experimental investigation of ice nucleation by different types of aerosols in the aerosol chamber AIDA: implications to microphysics of cirrus clouds

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Abstract:

The aerosol chamber AIDA was used as a moderate expansion cloud chamber with cooling rates at the onset of ice nucleation between –1.3 and –3.0 K min to investigate the nucleation and growth of ice crystals in sulphuric acid, ammonium sulphate, and mineral dust aerosols at temperatures between 196 and 224 K. Supercooled sulphuric acid droplets with mean diameters of about 0.2 to 0.3 m nucleated ice by homogeneous freezing at RH increasing from 144 to 166 % with temperatures from 220 and 196 K. This is in good agreement both with previous results of AIDA experiments and literature data. In contrast, ammonium sulphate particles of similar size nucleated ice at the significantly lower RH of 120 to 127 % in the same temperature range. Fourier-Transform infrared (FTIR) extinction spectra of the aerosol revealed that the ammonium sulphate particles, mainly consisted of the liquid phase. The number concentration of ice crystals formed during the homogeneous freezing experiments agree well with model results from the literature. Higher ice crystal number concentrations formed during the ammonium sulphate, compared to the sulphuric acid experiments, can be explained by the also somewhat higher cooling rates at ice nucleation. Deposition ice nucleation on mineral dust particles turned out to be the most efficient ice nucleation mechanism both with respect to RH at the onset of ice nucleation (102 to 105 % in the temperature range 209 to 224 K) and the ice crystal number concentration. Almost all mineral dust particles nucleated ice at the lower temperatures.

German
An der Aerosolkammer AIDA wurde die Nukleation und das Wachstum von Eiskristallen in Schwefelsäure-, Ammoniumsulfat- und Mineralstaub-Aerosolen im Temperaturbereich von 196 bis 224 K und Kühlraten von –1,3 bis –3,0 K min −1 bei der Eisnukleation untersucht. In der Aerosolkammer wurden hierfür dynamische Wolkenprozesse durch eine kontrollierte Druckabsenkung des Kammervolumens simuliert. Bei Experimenten mit unterkühlten Schwefelsäure-Tröpfchen eines mittleren Durchmessers von etwa 0,2 bis 0,3 μm entstanden Eiskristalle durch homogenes Gefrieren bei einer Eisfeuchte, die im Temperaturbereich von 220 bis 196 K von 144 auf 166 % anstieg. Dies stimmt sowohl mit Ergebnissen vorheriger AIDA Experimente als auch mit Literaturdaten gut überein. Im Gegensatz dazu entstanden bei Experimenten innerhalb desgleichen Temperaturbereichs, mit Ammoniumsulfat-Partikeln ähnlicher Größe, Eiskristalle bei den deutlich niedrigeren Eisfeuchten von 120 bis 127 %. Mit Hilfe von Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR) Extinktionsspektren konnte gezeigt werden, dass hauptsächlich flüssige Ammoniumsulfat-Partikel vorhanden waren. Die Anzahlkonzentrationen der Eiskristalle, die bei den homogenen Gefrierexperimenten entstanden, stimmen gut mit Modellergebnissen aus der Literatur überein. Die höheren Eiskristallanzahlkonzentrationen bei den Ammoniumsulfat-Experimenten im Vergleich zu den Schwefelsäure-Experimenten können durch die ebenfalls leicht höheren Kühlraten bei der Eisnukleation erklärt werden. Mineralstaub-Partikel zeigten als Keime für Depositionsgefrieren die höchste Wirksamkeit, sowohl in Bezug auf die Gefrierfeuchten (102 bis 105 % im Temperaturbereich von 209 bis 224 K) als auch auf die Anzahlkonzentrationen der Eiskristalle. Bei den tieferen Temperaturen bildeten fast alle Mineralstaub-Partikel Eiskristalle.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2005/0053

Publication date: August 1, 2005

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schweiz/mz/2005/00000014/00000004/art00007
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